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地应力

ItasCAD v3. 0地应力查询功能的研发由数据整理和计算机实现两部分构成。数据整理工作的内容主要是收集相关资料,包括中国地区范围内的板块纲要图、板块运动速度图、和世界范围内地应力测试成果,数据采集方式包括已有数据表格、和基于图片的电子化(如板块运动速度),并最终汇总数据成果以类似数据库的方式存储于系统后台供前端调用,这一环节属于计算机实现阶段的工作内容,主要是将前述经验公式和处理手段程序化。
由于地应力数据库原始数据来源包括中国境内板块纲要图、板块运动速度图和世界地应力图和相应的地应力测试成果,因此数据来源渠道的差异会导致数据间存在坐标系不一致的问题,其中坐标系特别指地质成果表达时所采用的地理坐标系,如球面坐标或平面坐标系统,因此,坐标系统归一化即成为源数据采集阶段的重点工作环节,具体解决方式是先采用地理信息系统(GIS)对源数据特别是图片资料进行坐标系统一化,由此形成数据采集和入库的基本依据。即便如此,应意识到原始资料之间存在精度差异,上述系统归一化处理可能进一步导致系统误差增大,视数据来源的丰富程度和可靠性,数据库建设及优化成为后续地应力查询功能的工作内容之一。
需要指出的是,地应力分析工作是ICCL的优势业务之一。受技术手段的限制,了解不可见、以物理场形式存在的地应力状态是岩体工程界长期存在的技术难点之一,但是ICCL围绕如美水电站坝址区地应力场特征开展了比较系统的分析工作,取得丰富的经验认识,主要有以下几点:
(1)研究工作采用了从宏观到具体、一般规律研究成果认识与工程实例结合的方式开展工作,力图通过系统性工作方式弥补地应力问题研究单一技术手段存在的不足,能够采用多种资料和成果证据相互验证,在如美工程取得了良好进展和比较积极的成果;
(2)大地构造和地震解译等构造地质方面的研究成果揭示位于青藏高原东端的如美工程场址区主构造应力方向很可能处于NEE—SWW方位向NW—SW方位偏转的过渡段,现今地表运动速率监测结果显示,该地区现今挤压运动方向指示的构造应力方向应为NWW—NW区间内;
(3)如美工程场址区、尤其是下坝址一带构造地应力明显地受到竹卡断层错动的影响。地质构造专业对竹卡断层的相关调查分析认为其错动性质为(右行)走滑压扭性,这一错动性质对应的构造挤压方向应为NEE—SWW向,对坝址区节理配套关系的研究成果基本相符。不过,这一针对竹卡错动期间对应构造应力特征的认识与其他一些方面的不一致性:
a. 与现今地表运动方向指示的构造挤压方位特征不符且相差较大;
b. 与现场现象揭示的竹卡断层周边地应力异常分布特征存在矛盾,不能相互吻合。
(4)针对上述不一致性,以现今地表运动速度方向、尤其是下坝址一带地应力作用现象为依据的定性分析和数值模拟揭示,控制如美坝址区地应力场格局的因素及其作用为:
a. 河谷演化前构造地应力场,最大主应力方位应为N30W左右方向;
b. 竹卡断层导致的构造应力异常,严重影响下坝址构造地应力状态;
c. 河谷演化过程,使得河床和岸坡岩体地应力严重偏离场区原位地应力(构造地应力为主)。
(5)现场现象和数值分析揭示了如美坝址区地应力场的如下基本特点:
a. 中坝址地应力场总体符合深切峡谷地应力场分布的一般特点,但受到软弱构造、尤其是顺河向软弱充填结构面发育程度的影响而可以出现明显变化,总体特征是河床应力集中减弱、岸坡局部变化性增大;
b. 下坝址尤其是左岸地应力场特征明显地受到竹卡断层的影响,表现出的基本特征是河谷演化之前经历高应力作用然后急剧降低,河谷演化过程左岸也经历了一个剪应力明显升高、足以导致岩体屈服的阶段,然后是相对更突出的应力释放。地应力的这一变化特征与左岸相关地质现象吻合良好,地质调查和分析认为,现场普遍存在揭示地应力先高后低的地质现象;
c. 现场现象和数值分析都揭示中坝址现今地应力总体高于下坝址、但历史过程下坝址应力变化历程复杂程度高于中坝址的基本特征,后者与中下坝址卸荷特征差异性吻合良好;
d. 以现场高应力现象为依据、从力学角度开展的相关分析认为,竹卡断层严重影响下坝址构造地应力并因此影响河谷演化过程的变化和现今分布,迄今为止的研究显示,与这些现象相一致的竹卡断层应具备左行走滑的特点。
(6)基于现场现象、地应力测试、和考虑结构面影响的数值分析等方面研究显示,如美坝址区地应力场应具备如下基本特点:
a. “背景”地应力水平较高且状态相对较差,前者指位于青藏高原构造活动性所决定的基本特征,后者特指主应力比值普遍性地相对较高;
b. 受坝址区断裂构造的影响,总体而言,地应力水平趋向于低于预期或一般情形,但地应力空间变化性和差异性增大,使得局部位置地应力可以异常升高,且主应力比值高可以是一种普遍现象,后者很可能是地应力因素造成工程影响的关键。